底泥磷污染的修復(fù)方法研究進(jìn)展

孫寧寧，陳蕾

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

目前，我國河流、湖泊及水庫等水體多數(shù)面臨底泥中內(nèi)源污染的問題[1-2]。研究表明，當(dāng)污染物的外源輸入達(dá)到國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時，在特定的情況下，原本堆集在底泥里的污染物會上浮到水體中，從而可能造成二次污染[3]，并且二次污染后的水體情況比較復(fù)雜，使得底泥污染物的處理更加困難[4]。目前，針對底泥引起的內(nèi)源污染，尚未有系統(tǒng)化的治理方法。根據(jù)底泥處理的位置不同，從大方向上可以分為原位修復(fù)和異位修復(fù)兩種。本文按照順序逐點(diǎn)分析了底泥的原位治理與異位處理的各種方法及其研究進(jìn)展，并且分析了不同方法的實際應(yīng)用情況。

1 底泥磷污染的來源

湖泊水體中底泥磷的污染源主要有三個方面：氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)，重金屬以及有機(jī)污染物。一方面，流入湖泊中的水體尤其是生活污水和工業(yè)廢水一般都有較高含量的氮、磷元素和重金屬離子。這些元素和離子通常會沉積到底泥中，但當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時，這些元素會向上覆水中釋放，同時還會消耗大量溶解氧導(dǎo)致水體惡化。另一方面，由于過量噴灑農(nóng)藥和錯誤的垃圾處理方法將會導(dǎo)致有機(jī)污染物進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)，最終在吸附作用下堆積在底泥中。

2 底泥原位治理技術(shù)

底泥原位修復(fù)指的是在不進(jìn)行疏浚的情況下，利用物理、化學(xué)和生物等技術(shù)就原位置對受污染的底泥進(jìn)行治理和修復(fù)的技術(shù)，其可分成化學(xué)修復(fù)技術(shù)、物理修復(fù)技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)。

2.1 原位物理修復(fù)

原位物理修復(fù)即底泥覆蓋技術(shù)，是目前應(yīng)對底泥磷污染最常見也是使用率最高的一種技術(shù)。其原理是將污泥留在原處，在河道底泥上鋪蓋一層覆蓋材料(目前主要為砂子、石塊以及某些新型合成材料)將水體與底泥隔開，從而阻礙污染物的遷移活動[5-6]。

近年來關(guān)于使用原位覆蓋法來控制底泥磷釋放的技術(shù)，研究者進(jìn)行了諸多研究。在應(yīng)對底泥磷污染時，原位覆蓋技術(shù)的最終成效取決于所使用的覆蓋材料。目前底泥覆蓋除磷材料主要分為 4 大類：鐵鹽、鈣鹽、鑭改性和鋁鹽[7-8]。其中鑭改性的除磷材料phoslock形成的LaPO4非常穩(wěn)定，能夠永久除磷，因此在歐美國家得到廣泛工程應(yīng)用[9-10]。

國內(nèi)學(xué)者對底泥覆蓋技術(shù)也進(jìn)行了大量的實驗和理論探討，薛傳東[11]摒棄了傳統(tǒng)的覆蓋材料，創(chuàng)新性的把粉煤灰和紅土這兩種物質(zhì)結(jié)合起來進(jìn)行鋪蓋，實驗發(fā)現(xiàn)這種新型覆蓋材料可以有效地阻礙底泥中磷向水體釋放的進(jìn)程。李書文等[12]把煅燒改性凈水廠污泥( C-WTPS )作為覆蓋材料，并研究了在此條件下底泥磷釋放的差異，研究表明C-WTPS促進(jìn)了底泥中易釋放形態(tài)磷遷移到C-WTPS中，并轉(zhuǎn)化較為穩(wěn)定的形態(tài)磷，可見C-WTP覆蓋對底泥磷的釋放有控制和削減作用。

底泥覆蓋技術(shù)對于一些污染程度較高的底泥有顯著作用，但同時也有一定的缺陷和不足之處。由于底泥覆蓋主要是通過鋪蓋材料使得污染物和水體避免接觸，實際上污染物還是儲存在底泥中，因此當(dāng)在外力作用下覆蓋層遭到損壞或在水動力的作用下發(fā)生遷移，底泥污染物仍會重新暴露并向水體擴(kuò)散[13]。此外，由于鋪設(shè)覆蓋材料的緣故，河道會因此變淺，底泥也會出現(xiàn)更大范圍的堆積，從而影響湖泊的過水能力和航運(yùn)能力，這對河道的泄洪蓄水也存在著潛在的風(fēng)險[14]。

2.2 原位化學(xué)修復(fù)

原位化學(xué)修復(fù)是指向受污染底泥中加入特定的化學(xué)制劑或酶制劑，這些制劑可與底泥中的營養(yǎng)鹽定向發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從而產(chǎn)生可以抑制磷釋放的穩(wěn)定結(jié)合物[15]。由于所使用的化學(xué)制劑和酶制劑的不同，原位化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要有原位氧化還原技術(shù)和原位鈍化技術(shù)[16]。

原位還原處理技術(shù)是指通過對底泥原位注射還原劑，使得高價元素價位降低，從而在底泥中發(fā)生還原反應(yīng)使得污染物得到降解。還原劑種類很多，但目前研究重點(diǎn)集中在零價鐵作為還原劑的修復(fù)作用。張偉賢[18]把厭氧零價鐵和剩余污泥微生物燃料電池結(jié)合以此來研究零價鐵對有機(jī)污染物的作用。實驗分析表明，零價鐵作為還原劑時能夠有效降低有機(jī)污染物的含量。

和原位氧化還原技術(shù)類似，鈍化技術(shù)則是利用鈍化藥劑能夠吸附污染物的特性，從而使得其會在底泥和上覆水之間形成一種分隔膜，使得底泥和上覆水變成兩個沒有污染物遷移交換的單獨(dú)體，并可以有效避免再次污染。鈍化藥劑有很多，但就效果來講國內(nèi)外應(yīng)用最為成熟的主要是鋁鹽、鈣鹽等。趙衛(wèi)民等[19]針對不同鈍化劑(鋁鹽、鈣鹽、鐵鹽)在底泥修復(fù)中呈現(xiàn)的效果做了實驗研究，結(jié)果表明這三種鈍化劑都能達(dá)到阻礙磷的釋放，修復(fù)污染底泥的效果，但是相對來講鐵鹽對底泥的修復(fù)力不如其他兩種。此外，國外學(xué)者也對原位鈍化技術(shù)進(jìn)行了研究。Huser等[20]分析了用鋁鹽處理過的湖泊，數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)處理前后TP、Secchi深度、Chl a的生長期均有明顯差異，換句話說，鋁鹽處理過的水體質(zhì)量有很大改善而且效果維持時間較長。Yin等[21]利用熱處理富鈣凹凸棒石(TCAP)對底泥污染物進(jìn)行了相關(guān)的磷實驗，結(jié)果表明使用TCAP可以有效抑制磷的遷移活動，即使用TCAP可以對底泥有一定的修復(fù)作用。

原位化學(xué)修復(fù)法發(fā)展時間早，技術(shù)成熟且性價比高，一直被廣泛應(yīng)用。但由于化學(xué)修復(fù)最重要的過程是對化學(xué)試劑的利用，因此這對水環(huán)境將是一個很大的隱患。

2.3 原位生物修復(fù)

原位生物修復(fù)技術(shù)是指通過一些特殊生物的自身代謝過程吸附分解底泥中的污染物，從而達(dá)到修復(fù)水體的目的。生物修復(fù)技術(shù)主要包括微生物修復(fù)技術(shù)和植物修復(fù)技術(shù)。

2.3.1 植物修復(fù) 植物修復(fù)技術(shù)是指在河道種植去污能力強(qiáng)的浮水、沉水以及挺水植物，利用植物發(fā)達(dá)根系對某些污染物質(zhì)吸收累積，從而降解底泥中的污染物[22]?；畹拇笮椭参锊慌判沽?，但可以通過呼吸活動降低溶解氧濃度或通過強(qiáng)化光合作用提高pH值來促進(jìn)沉積物中的磷釋放，另一方面，由于芽和根莖釋放O2，表面沉積層被氧化，這降低了磷的釋放速率[23]。水體中重新懸浮和隨之而來的水濁度的增加對初級生產(chǎn)者、浮游動物群落和各種捕食者-獵物相互作用產(chǎn)生了很多影響。研究表明，大型水生植物可以促進(jìn)細(xì)顆粒和沉積物的沉降從而顯著減少沉積物的重懸和侵蝕[24]。

目前，植物修復(fù)法已經(jīng)在處理底泥磷污染方面取得了很多有效進(jìn)展?？梢杂米髦参镄迯?fù)法的植物有很多種，最為典型的就是苦草?？嗖菽軌蛴行У夭东@污染物并且其生存能力強(qiáng)，在多種水環(huán)境下均能繁殖，因此我國多地均培植了苦草進(jìn)行水環(huán)境修復(fù)[25]。王立志等[26]探討了苦草根系對底泥污染物的影響，研究表明苦草在生長過程中能夠降低沉積物中各層多種形態(tài)磷的含量，在苦草根系分布區(qū)沉積物中各形態(tài)磷的含量要比非根系分布區(qū)低得多，沉積物中各形態(tài)磷含量也隨著苦草根系面積的增加而減小。

2.3.2 微生物修復(fù) 微生物修復(fù)是指通過技術(shù)挑選出以污染物為營養(yǎng)物質(zhì)的微生物，使其在生命活動過程中對污染物進(jìn)行分解，以此來修復(fù)水體的方法。和其他方法比起來，微生物修復(fù)有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①生物繁殖能力強(qiáng)，在環(huán)境適宜時可以大量生長，從而降低治理成本；②生物的自然凈化不會對原有生態(tài)系統(tǒng)造成破壞[27]；③和其他修復(fù)技術(shù)相比，微生物修復(fù)有一定的固定性，即由于細(xì)菌本身的特性，特定的細(xì)菌只會對特定的物質(zhì)發(fā)生作用，因此可以把不同的菌落聚集起來共同處理污染物[28]；④水體中微生物種類眾多，各種微生物之間可能出現(xiàn)促進(jìn)或者抑制作用，從而降解復(fù)合型污染物[29]。例如馮奇秀等[30]把微生物培養(yǎng)液和氧化劑融合后向底泥原位注射藥物，研究發(fā)現(xiàn)水體含氧量不斷增加，磷含量也顯著降低。Rosa等[31]采用微生物燃料電池(MFCs)修復(fù)技術(shù)，對意大利西南部波佐利灣巴格諾利棕地鋼鐵廠前采集的海洋沉積物中的多環(huán)芳烴(PAHs)進(jìn)行降解，初步研究結(jié)果表明MFCs確實在修復(fù)底泥污染物方面有積極的促進(jìn)作用。

3 異位修復(fù)

異位修復(fù)技術(shù)主要為底泥疏浚。底泥疏浚(又稱環(huán)境疏浚)通常是把上面一部分底泥直接去除，從而減小底泥厚度，降低底泥磷的釋放。目前，由于底泥疏浚操作簡單，施工成本也較低，許多國家在面臨水體底泥污染時，較多采用此法。瑞典的 Trummen湖水體嚴(yán)重污染，采取截污等常規(guī)性外源措施已不足以解決問題，為此有關(guān)部門進(jìn)行了底泥疏浚。湖泊經(jīng)疏浚后其總磷濃度迅速下降，隨后該湖營養(yǎng)水平也逐漸恢復(fù)正常[32]。此外，我國對受污染水體如滇池也進(jìn)行了底泥疏浚措施，和Trummen湖水一樣，經(jīng)疏浚后的水體營養(yǎng)物質(zhì)含量趨于正常水平，湖水黑臭問題也得到了解決[33]。

運(yùn)用底泥疏浚法雖然有效地從根本上去除了污染源但是對于疏浚的修復(fù)效果還有很大爭議。由于底泥疏浚挖去了淺層污泥，所以存在于底泥中的污染源也被去除，同時挖除后的水體水深增加，水體體積增大。但是趙章元[34]指出，雖然去除了部分底泥使得水體環(huán)境快速好轉(zhuǎn)，但是由于外部污染源的持續(xù)輸入，污染物很快又在底泥中堆積聚集，形成新的污染源，從這個角度來看，底泥疏浚的效果并不長久。此外，疏浚技術(shù)采用機(jī)械作業(yè)，在操作中難免會導(dǎo)致底泥的擴(kuò)散懸浮，影響水體水質(zhì)。底泥中的有機(jī)物質(zhì)、甲烷等也會在操作過程中釋放至水體，導(dǎo)致水生植物過度繁殖，微生物的生命代謝活動也會受到影響[35]。其次，由于大型機(jī)械的采用，疏浚工程會產(chǎn)生影響居住環(huán)境的噪聲和塵土。在下雨天，塵土則會匯流影響其他水體水質(zhì)。因此在使用底泥疏浚方法修復(fù)水體時，要充分關(guān)注施工過程對周圍環(huán)境的影響，保護(hù)生態(tài)環(huán)境[36]。

4 其他修復(fù)方法

除了上述常見修復(fù)方法外，也逐漸發(fā)展了一些新型修復(fù)法，比如底層充氧法。缺氧條件可以觸發(fā)湖泊沉積物中釋放還原的金屬和營養(yǎng)物，從而導(dǎo)致惡臭味道以及令人討厭的藻類水華問題。保持低氧是控制這些金屬和營養(yǎng)物釋放的重要舉措，低氧氧合系統(tǒng)通常用于增加湖泊和水庫低水位的溶解氧(DO) 濃度。常用的氫氧系統(tǒng)的目的就是維持熱分層，同時在底水中添加氧氣。其主要優(yōu)點(diǎn)是使得氧溶解度高于超磁曝氣系統(tǒng)，并具有更高的氧轉(zhuǎn)移效率，但是設(shè)計不當(dāng)?shù)臍溲跸到y(tǒng)反而可能會導(dǎo)致更高的濁度[37]。側(cè)流過飽和(SSS)技術(shù)是指從湖中提取水，并在高壓下注入濃氧氣體，最后將含氧的水返回到蜂巢中的過程。采用此技術(shù)研究了位于美國維吉尼亞州文頓的一座淺水飲用水水庫對SSS運(yùn)行的敏感性[38]。研究表明，此技術(shù)能夠成功地克服誘導(dǎo)沉積物需氧量，從而在不觸發(fā)降層的情況下增加超磁溶解氧濃度，并且對沉積物中Fe、Mn和P釋放均有抑制效果。換句話講，SSS是改善瀑布溪水庫(FCR)、淺水富營養(yǎng)飲用水水庫水質(zhì)的可行性方案[39]。

5 總結(jié)與展望

目前，隨著我國水污染防治攻堅戰(zhàn)的進(jìn)行，水體底泥污染的治理修復(fù)被放置到了重要位置上。無論哪種修復(fù)方法都有其長處和一定的局限性，因此在修復(fù)水體的實踐中應(yīng)在充分了解現(xiàn)場情況以及可能產(chǎn)生的環(huán)境影響的前提下，選擇恰當(dāng)?shù)男迯?fù)技術(shù) 。此外，針對現(xiàn)階段各個方法的研究進(jìn)展，提出以下建議：

(1)對于原位修復(fù)技術(shù)的治理效果大都只是分析實驗數(shù)據(jù)所得，實驗中各種因素均人為可控，所以模擬實驗和現(xiàn)實水體情況還是有一定的差異。因此在實際水體修復(fù)操作過程中，應(yīng)根據(jù)不同河道、不同湖泊底泥磷污染的來源與累積情況，選擇契合度高、修復(fù)效果好的技術(shù)來修復(fù)水體，才能從源頭上控制污染。

(2)原位化學(xué)修復(fù)不管從技術(shù)方面還是修復(fù)效果方面都有其優(yōu)越性，但是在修復(fù)過程中化學(xué)藥劑的使用是否會對環(huán)境帶來威脅還不清楚。因此在利用化學(xué)修復(fù)技術(shù)治理污染時，要密切關(guān)注對周圍環(huán)境的影響。同樣，也要關(guān)注疏浚后的生態(tài)效果，進(jìn)行疏浚工程生態(tài)風(fēng)險評估。

(3)原位微生物修復(fù)相比化學(xué)修復(fù)更經(jīng)濟(jì)且?guī)淼沫h(huán)境風(fēng)險小，但也可能會干擾水環(huán)境和沉積物原本的生物系統(tǒng)。由于微生物的活性受很多因素(如電子受體等)的影響，所以微生物的利用率并不能發(fā)揮到最大值。此外，基因工程菌的研發(fā)和使用使得微生物修復(fù)技術(shù)更加成熟。